如果你看過最近一期TED的主持人克里斯安德森（Chris Anderson） 對特斯拉CEO埃隆·馬斯克（Elon Musk）的專訪，你或許會注意到他們關(guān)于電動汽車發(fā)展形勢的一段對話。

克里斯·安德森：“不是幾乎每一家汽車制造廠商都已經(jīng)宣布了它們短期和中期的電氣化計劃了么？”

埃隆·馬斯克：“是的是的，我認(rèn)為幾乎每一家汽車制造商都有相關(guān)的電動汽車項目。它們的重視程度各不相同。有的公司正認(rèn)真的打算完全轉(zhuǎn)型成電動汽車制造商，而有的只是試試水。另外還有些公司，非常“神奇”的，還在繼續(xù)開拓燃料電池汽車這一領(lǐng)域，當(dāng)然我認(rèn)為這一現(xiàn)象不會持續(xù)太久?！?br/>

被馬斯克所指的那些“神奇”的公司有哪些呢？事實上不少傳統(tǒng)豪強(qiáng)都宣布過自己的燃料電池汽車（下文用氫能源汽車指代）發(fā)展計劃，例如夢想制造“氫”經(jīng)濟(jì)時代的本田，豐田和尼桑，韓國的現(xiàn)代和起亞，德國的戴姆勒等。

那么是氫能源汽車的什么特點，它們愿意投資數(shù)十億美元在這一產(chǎn)業(yè)上？在細(xì)聊之前，先讓我們簡要談?wù)勅剂想姵氐墓ぷ髟?。通俗的說，氫能源汽車是先將氫原子分解成電子和質(zhì)子，然后通過電子流動發(fā)電，而剩下的傳動配置則與鋰電汽車類似?？紤]到氫氣的制取遠(yuǎn)不如化石燃料和電力來的方便，那么為什么不專心發(fā)展鋰電汽車，而“多此一舉”去發(fā)展氫能源汽車？

Toyota Mirai 底盤，圖片來源：[1]

主要還是在于鋰電最明顯的兩個短板：能量密度和充能速度。鋰電相對較低的能量密度使得汽車工程師必須在汽車能耗與續(xù)航（車重）間找尋一個平衡點，例如作為鋰電汽車標(biāo)桿的特斯拉，在其官網(wǎng)給出的Model S 85D的測試環(huán)境下續(xù)航270英里。當(dāng)然氫能源汽車也并沒有太大優(yōu)勢，商業(yè)化的豐田Mirai和現(xiàn)代ix35改裝版的官方續(xù)航數(shù)據(jù)則為312和369英里。當(dāng)然，續(xù)航不夠，可以快充來湊。但是由于鋰電化學(xué)反應(yīng)的限制，即便出名的特斯拉超級充電樁也需要三十分鐘才能充滿80%的電，而加氫站的優(yōu)勢則就此顯現(xiàn)出來，充滿Mirai 5公斤的燃料箱只需三到五分鐘。需要指出的是，鋰電的換電技術(shù)也能用來彌補(bǔ)其在充電速度上的不足，例如特斯拉的換電站只需七分鐘便可完成操作 [2]。只是建設(shè)換電站以及額外的電池投資是否劃算，需要打上一個大大的問號，尤其考慮到領(lǐng)頭羊特斯拉已經(jīng)選擇在短期內(nèi)放棄這一選項了。

因為氫能源汽車的相對長續(xù)航和快速加氫，或許有很多人會認(rèn)為它的適用場景應(yīng)該是長距離的通勤。但事實上其在城市通勤上也有不小的優(yōu)勢，雖然由于居民側(cè)加氫裝置的缺失，使得其在推廣給普通用戶時異常困難，但是在使用頻率較高的場景（例如公交，市政用車等），它的快速充能優(yōu)勢就能可以凸顯出來了。事實上，在今年初，英國的Element Energy公司就牽頭了 JIVE和MERHLIN這兩個總價接近四千萬歐元的氫能源公交項目，計劃在多個歐洲城市(德國的Cologne, Wuppertal and Rhein Mainz, 英國的London, Birmingham and Aberdeen, 意大利的South Tyrol, 拉脫維亞的Riga in Latvia 和丹麥的 Slagelse)部署144輛氫能源大巴和相應(yīng)的加氫站。

當(dāng)然，氫能源汽車在居民側(cè)應(yīng)用場景有限，這也使得其銷量慘淡，大家的日子都不太好過。例如最出名的豐田Mirai，至今銷量也才兩千八百多輛，還于今年初經(jīng)歷了一次全部召回（雖然此次召回只需進(jìn)行半小時的軟件升級便可將問題解決[3]）。戴姆勒的CEO也剛剛宣布?xì)淙剂想姵匾巡辉谄涔镜闹饕l(fā)展計劃中。對于氫能源汽車推廣的障礙，我們可以用“三高”來概括：

1. 高售價

2. 高燃料成本

3. 高充能成本

首先談?wù)劯呤蹆r。拿已經(jīng)登陸英國市場的Toyota Mirai和Hyundai ix35 Fuel Cell來說，其官方售價分別為是￡66,000和￡67,985，而英國市場上在這一價格區(qū)間的車包括BMW 730d, Audi Q7, 保時捷卡宴S, 奔馳GLE500等，所以想讓大眾為氫能源的“情懷” 買單是件極其不現(xiàn)實的事情。當(dāng)然政府的各類補(bǔ)助以及豐田的Mirai租車計劃（￡750每月包燃料賬單），或許會讓各類政府機(jī)構(gòu)(city council, NHS, etc.)愿意嘗嘗鮮。

另外關(guān)于燃料成本，也就是加氫價格，確實氫能源汽車在化石能源極其便宜的美國可能很難與傳統(tǒng)燃油車和純電汽車的經(jīng)濟(jì)性相媲美。但是在那些高油價的歐洲國家，氫能源的燃料成本未必算得上過高。拿英國舉個例子，ITM power建立的加氫站網(wǎng)絡(luò)給出的價格是￡10/kg，加滿一輛Mirai大約需￡50，考慮到Mirai的續(xù)航為550km，對標(biāo)的內(nèi)燃機(jī)油耗為7.58升/100km（以英國￡1.2/升的汽油價格為參考）[4]，可以說這一等效油耗比在同類內(nèi)燃機(jī)車型中是有一定競爭力的，更不用提在未來制氫成本可能會進(jìn)一步下降（下文會詳細(xì)提到）。

最后一條，也是氫能源汽車當(dāng)前在居民區(qū)普及的主要問題-—缺乏基礎(chǔ)設(shè)施，使得充能十分麻煩。確實，鋰電可以依托電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行充能，雖然家用充電樁充電速度較慢，但是考慮到居民車輛使用頻率較低，并不會對使用體驗造成大的影響。而對于氫能源汽車來說，不但需要鋪設(shè)加氫站，還需要考慮將氫氣從傳統(tǒng)高溫甲烷制氫的化工廠運送至加氫站。雖然建設(shè)氫能源傳輸網(wǎng)絡(luò)（類似于天然氣網(wǎng)絡(luò)）也是一個選項，但相較于電氣網(wǎng)絡(luò)，其作用在目前看起來極其單一，缺乏大規(guī)模建設(shè)的經(jīng)濟(jì)激勵。

除此之外，馬斯克還曾詬病氫能源汽車的零排放的宣傳政策。因為傳統(tǒng)制氫是通過分解甲烷實現(xiàn)的，所以從全生命周期來考慮的話，氫能源汽車絕對談不上零排放。

說了這么多，聽起來氫能源汽車的未來貌似是個死胡同？其實也不盡然，因為制氫方式的改變正使得氫能源與其他能源網(wǎng)絡(luò)開始融合起來，所以未來氫能源的適用范圍會逐漸變廣。

雖然當(dāng)前制氫的主要方式還是上文所說的化學(xué)制氫，但是電解水制氫（下文用electrolyser代指）在歐洲已經(jīng)逐漸風(fēng)靡起來，也就是業(yè)界常說的”Power-to-Gas”(P2G)，例如 ITM Power與殼牌公司旗下的德國化工廠10MW electrolyser項目[5]和與荷蘭天然氣網(wǎng)絡(luò)運營商EnergyStock簽署的1.1MW electrolyser項目[6]等。那么電力制氫是否是一種浪費？如果說使用傳統(tǒng)的火力發(fā)電制氫的話，確實并不劃算。但是考慮到只能被動發(fā)電的新能源在電力系統(tǒng)內(nèi)的占比逐漸增加，電力峰谷電價的差額很有可能會越來越大，甚至可能更加頻繁的重現(xiàn)之前丹麥系統(tǒng)的“負(fù)電價”事件，那么在低谷電價時制氫就顯得有利可圖了。除此之外，electrolyser一般會配備相應(yīng)的儲氫設(shè)備，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計容量為一天的加氫需求，所以相較于充電樁，electrolyser的運行可以更加靈活。

再者，相比于容量較?。ㄒ郧哂嫞┣曳植歼^廣的充電樁，集中式的electrolyser（以兆瓦計）更適合用來提供電力系統(tǒng)的輔助服務(wù)以增加額外收入，尤其是當(dāng)新能源發(fā)電輸出過高，系統(tǒng)需要提升用電需求以保持供需平衡。例如ITM參與設(shè)計的THüGA P2G plant就達(dá)到了提供二次輔助服務(wù)的要求，并在2015年就成功參與到了德國區(qū)域調(diào)度TenneT的輔助服務(wù)池中去。此外，英國國家電網(wǎng)最近也新加入了Demand Turn Up 服務(wù)，用于在電量低谷時增加系統(tǒng)需求，以避免切風(fēng)切光伏。當(dāng)然提到輔助服務(wù)，不得不說的就是價值最高的調(diào)頻服務(wù)(frequency response)。事實上美國的NREL實驗室早就證明了electrolyser的調(diào)頻能力，可以在接收到信號后的一秒內(nèi)改變自己的運行點以達(dá)到調(diào)頻的效果[7]。

筆者作為歐洲氫能源項目H2ME2的研究員，最近也通過模擬英國電力系統(tǒng)運行，對使用electrolyser提供快速頻率響應(yīng)所帶來的經(jīng)濟(jì)和減排效應(yīng)進(jìn)行了評估，并在IREP 2017和ISGT Europe 2017上發(fā)了兩篇文章，有興趣的朋友可以關(guān)注作者的Researchgate (https://www.researchgate.net/profile/Lingxi_Zhang)。相信通過提供多樣化的輔助服務(wù)，電解制氫的成本能夠進(jìn)一步下降，提升其經(jīng)濟(jì)性。

當(dāng)然“吹噓”了一堆電解制氫的好處，沒有普及加氫站的計劃也不行。但事實上歐盟區(qū)在2015已開展氫能源汽車項目，名為hydrogen mobility Europe (H2ME)，其中一期投資七千一百萬歐元，二期投資一億歐元。下圖則標(biāo)明了歐洲區(qū)正在運行或者已經(jīng)規(guī)劃的加氫站網(wǎng)絡(luò)，其中就包括了H2ME項目正在規(guī)劃或已經(jīng)建成的49個加氫站。一旦建立起完備的加氫網(wǎng)絡(luò)，氫能源汽車的使用場景也就可以從區(qū)域內(nèi)通勤擴(kuò)大到跨國行駛，就像特斯拉所連接美國東西海岸的超級充電站網(wǎng)絡(luò)一樣。

歐洲加氫站分布圖，圖片來源：H2ME官網(wǎng)[8]

最后想要真正發(fā)展壯大氫能源產(chǎn)業(yè)，將氫能源融入到居民的日常生活中來是極其重要的。對此，英國就在考慮如何在未來將其堅實的天然氣網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化成氫能源網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)其2050年的80%碳減排的目標(biāo)。當(dāng)前各國最直接的碳減排手段就是增加可再生能源發(fā)電在電力系統(tǒng)中的滲透比例，但是長期來看，即便將電力系統(tǒng)完全無碳化，也很難達(dá)到發(fā)達(dá)國家國制定的長期減排目標(biāo)。根據(jù)英國政府的數(shù)據(jù)，電力只占了當(dāng)前英國終端能耗的17.5%，而天然氣和汽油的終端能耗占比則分別為29.1%和42.3%。想要達(dá)到未來80%的減排目標(biāo)，一方面需要將交通工具的燃料來源清潔化（比如鋰電或是氫能源），另外一方面還要找尋天然氣的替代品，畢竟當(dāng)前85%的英國居民正在使用燃燒天然氣供暖。

為了減排，英國政府已經(jīng)規(guī)劃了各類供暖電氣化項目，例如大規(guī)模普及分布式電熱泵技術(shù)，并為此提供了大量的資金補(bǔ)助。但是天然氣管網(wǎng)的運營商恐怕不會坐以待斃，看著被電網(wǎng)蠶食自己的客戶。上文提到的THüGA P2G 項目就已經(jīng)嘗試在其天然氣管網(wǎng)中混入最高2%比例的氫氣。北英格蘭的天然氣管網(wǎng)運營商(Northern Gas Networks)也宣布了由政府資助兩千五百萬鎊的H21 project [9]，用于分析如何將現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)在未來升級成純氫氣管網(wǎng)。

另外，負(fù)責(zé)連接英國近一半天然氣用戶的Cadent公司（原英國國網(wǎng)下屬天然氣公司），也從政府爭取到了總價近六億英鎊的氫能源利用項目，并在利物浦和曼徹斯特進(jìn)行了試點，前期主攻工商業(yè)用戶的燃?xì)馓鎿Q。當(dāng)然純氫化的道路還很長，走起來也很貴。不光現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)可能無法兼容純氫傳輸，居民家中的天然氣熱水器也要因此被更換。當(dāng)然一旦氫能源管網(wǎng)建立起來，在未來給燃料電池汽車加氫就不再局限于大型的加氫站了，居民用戶也可以方便的為自己的燃料電池汽車充氫。

綜上，雖然在未來十幾二十年內(nèi)，燃料電池汽車還很難與鋰電汽車相抗衡，但是考慮到中長期的減排目標(biāo)，氫能源的應(yīng)用范圍很有可能會變廣并接入居民區(qū)，鋰電汽車能夠依托電網(wǎng)方便充能的優(yōu)勢也就不復(fù)存在了。到那時，誰又敢下定論說氫能源汽車不能與鋰電汽車相抗衡呢？

當(dāng)然，最后的最后，筆者還是想在撒哈拉沙漠里嘗試開開這輛車。開到口渴了？去車后面接杯純凈水喝就是了。

作者Lingxi Zhang來自曼徹斯特大學(xué)Research Associate, 專注于多能互補(bǔ)方向的研究

參考資料:

[1] https://spectrum.ieee.org/green-tech/fuel-cells/why-the-automotive-future-will-be-dominated-by-fuel-cells

[2]  http://www.teslarati.com/tesla-shuts-down-battery-swap-program-for-superchargers/

[3] http://www.reuters.com/article/us-toyota-recall-fuelcells/toyota-to-recall-all-2800-mirai-fuel-cell-cars-on-the-road-idUSKBN15U0F1

[3] http://www.windpowermonthly.com/article/1431450/road-wind-powered-car

 [5] http://www.itm-power.com/news-item/10mw-refinery-hydrogen-project-with-shell

[6] http://www.proactiveinvestors.co.uk/companies/news/184200/itm-power-to-supply-hydrogen-electrolyser-to-dutch-gas-grid-operator-energystock-184200.html

[7] https://www.nrel.gov/docs/fy12osti/54658.pdf

[8] http://h2me.eu/

[9] https://www.northerngasnetworks.co.uk/2017/04/27/northern-gas-networks-hydrogen-project-takes-step-forward-as-25-million-fund-announced-for-hydrogen-in-homes/

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